以FET输入放大器为单位的电流噪声

Kaung Win

电流噪声随频率增加的现象是IC设计工程师和电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以捉摸。

许多半导体制造商的数据手册（包括ADI公司）在规格表中规定了放大器的电流噪声，通常频率为1 kHz。目前尚不清楚当前的噪声规格来自何处。是测量的还是理论上的？一些制造商通过提供

称为散粒噪声方程。过去，ADI公司以这种方式提供大多数当前噪声值。对于每个放大器，此计算数字是否最高可达1 kHz？

在过去几年中，人们对放大器中电流噪声与频率的关系越来越感兴趣。一些客户以及制造商认为FET输入放大器的电流噪声与双极性输入放大器的形状相似，例如，1/f或闪烁噪声分量和扁平宽带分量，如图1所示。FET输入放大器的情况并非如此;相反，在图2中，它看起来像一个奇怪的噪声形状，并不为人所知，在许多仿真模型中被忽略了。

图1.双极性输入放大器

AD8099的

电流噪声

图2.FET输入放大器AD8065的电流噪声。

测量设置是关键

在我们讨论为什么会这样之前，让我们快速看一下测量设置。需要获得一种易于重现的可靠测量方法，以便可以在许多不同的部件上重复测量。

可以使用DC417B单功放评估板。被测器件（DUT）的电源必须具有低噪声和低漂移。线性电源优于开关电源，因此任何电源变化（如开关伪影）都不会增加测量。LT3045 和 LT3094 是正和负超高 PSRR、超低噪声线性稳压器，可用于进一步减小来自线性电源的纹波。利用LT3045和LT3094，可以使用单个电阻器配置高达+15 V和低至–15 V所需的任何输出电压。这两款器件是用于低噪声测量的理想台式电源。

图3.测量设置。

Ohmite 的 10 GΩ SMT 电阻 （HVC1206Z1008KET） 用于将 DUT 同相引脚上的电流噪声转换为电压噪声。FET 输入放大器的典型偏置电流约为 1 pA，等于 0.57 fA/√Hz

如果等式

是正确的。10 GΩ源阻抗热噪声为

这为我们提供了测量电流本底噪声

并且可以在后处理中减去它。但是，如果电阻电流噪声主导DUT的电流噪声，则无法准确测量。因此，我们需要至少10 GΩ的电阻值才能看到一些噪声。100 MΩ源阻抗热噪声约为1.28 μV/√Hz（= 12.8 fA/√Hz），不足以区分DUT和电阻噪声。如果噪声不相关，则以和平方根 （RSS） 方式添加。图 4 和表 1 显示了 RSS 对两个数字之比的影响。n：n添加约41%，n：n/2添加约12%，n：n/3添加约5.5%，n：n/5添加约2%。通过足够的平均，我们可能能够提取大约10%（0.57 fA / √Hz和1.28 fA / √Hz RSS）。

图4.RSS 基于两个数字的比率添加。

 

值 1	值 2	RSS 总和	增加百分比
n	n	1.414 北	41.42 %
n	不适用	1.118 北	11.80%
n	不适用	1.054 北	5.41%
n	不适用	1.031 北	3.08%
n	不适用	1.020 北	2.00%
n	不适用	1.014 北	1.38%
n	不适用	1.010 北	1.02%
n	不适用	1.008 北	0.78%
n	不适用	1.006 北	0.62%
n	不适用	1.005 北	0.50%

 

为什么结果如此奇怪？

图5显示了采用AD8065的设置的电压噪声密度，AD145是一款2 MHz FET输入运算放大器，共模输入阻抗为1.10 pF。12 GΩ电阻热噪声为8.20 μV/√Hz，直到输入电容以及电路板和插座杂散电容滚降电压噪声。理想情况下，这应该以–100 dB/dec的速度继续滚动，但曲线在100 Hz左右开始改变形状，并在20 kHz左右变平。这是怎么回事？我们的直觉告诉我们，阻止–20 dB/dec滚降并导致平坦度的唯一方法是提供+20 dB/dec斜率。罪魁祸首是电流噪声，在较高频率下以+<> dB/dec斜率增加。

图5.折合到输出端的电压噪声密度。

SR785动态信号分析仪或FFT仪器可用于测量输出电压噪声;但是，本底噪声最好小于7 nV/√Hz。当DUT滚降的输出电压噪声接近20 nV/√Hz至30 nV/√Hz时，我们希望分析仪本底噪声尽可能少地增加噪声。3倍的比率仅增加约5.5%。我们可以忍受噪声域中5%的误差（见图4）。

艺术在反向计算中

以这种方式进行测量，只需一次测量即可获得绘制电流噪声所需的两个主要参数。首先，我们得到了总输入电容，即杂散电容和输入电容，这对于反向计算滚降是必要的。即使有杂散电容，也会捕获信息。输入电容在10 GΩ电阻范围内占主导地位。该总阻抗将电流噪声转换为电压噪声。因此，了解此总输入电容非常重要。其次，它显示了电流噪声开始占主导地位的位置，即它开始偏离–20 dB/dec斜率的位置。

让我们看一个示例，其中包含图 5 中的此数据。3 dB滚降点在2.1 Hz下读取，对应于

输入端的电容。数据手册提到，共模输入电容仅为约2.1 pF，这意味着杂散电容约为5.5 pF。差模输入电容由负反馈自举，因此在低频时不会真正发挥作用。电容为7.6 pF时，电流噪声看到的阻抗如图6所示。

图6.总阻抗幅度为10 GΩ电阻和7.6 pF输入电容并联。

将AD8065上测得的折合输出（RTO）电压噪声（图5）除以阻抗与频率的关系（图6），得到AD8065和RSS中组合的10 GΩ电阻的等效电流噪声（图7）。

图7.AD8065和10 GΩ电阻的RTI电流噪声。

去除10 GΩ的电流噪声后，AD8065的折合到输入端的噪声如图8所示。在 10 Hz 以下，它非常模糊，因为我们试图从 0.5 fA/√Hz（RSS 标度为 0%）中找出 6.1 fA/√Hz 到 28.10 fA/√Hz，并且只完成了 100 个平均值。在 15 mHz 到 1.56 Hz 之间，有 400 条线路具有 4 mHz 带宽。平均每 256 秒！100 的平均值 256 是 25，600 秒，略多于 7 小时。为什么需要低至 15 mHz 的测量，为什么要花费这么多时间？输入电容为10 pF，10 GΩ时产生1.6 Hz低通滤波器。 低噪声FET放大器具有高达20 pF的大输入电容，使3 dB点为0.8 Hz。为了正确测量3 dB点，我们需要看到十年前的情况，即低至0.08 Hz（或80 mHz）。

如果我们盯着10 Hz以下的模糊线，0.6 fA / √Hz通过

可以验证。对于电流噪声，这个等式并不完全错误。在一阶近似中，它仍然显示了器件的低频电流噪声行为，因为该电流噪声密度值是通过直流输入偏置电流获得的。然而，在高频下，电流噪声不遵循这个等式。

图8.AD8605的RTI电流噪声。

在较高频率下，DUT电流噪声明显主导电阻电流噪声，电阻噪声可以忽略不计。图9显示了各种FET输入放大器在10 GΩ噪声下的折合到输入端的电流噪声，采用图3所示的设置进行测量。100 kHz时100 fA/√Hz似乎是大多数精密放大器的典型性能。

图9.所选ADI放大器的RTI电流噪声

也有例外：LTC6268/LTC6269 电流噪声在 5 kHz 时为 6.100 fA/√Hz。这些器件非常适合需要高带宽、低输入电容、飞安级偏置电流的高速TIA应用。

图 10.LTC6268 的输入参考电流噪声。

这就是FET输入放大器中的电流噪声的全部吗？

在高源阻抗应用中，有四种主要的电流噪声源会影响总输入电流噪声，到目前为止，我们已经介绍了两个。具有主要噪声源的简化TIA放大器如图11所示。MT-050是运算放大器噪声源的良好参考。

图 11.具有主要噪声源的简化型 TIA 放大器。

来自FET输入放大器的电流噪声（in_dut)

电流噪声的形状取决于放大器输入级拓扑。通常，噪声在低频时是平坦的，但随着频率的升高而变大。参见图 8。最终，噪声将以–20 dB/dec的速度滚降，因为放大器在较高频率下耗尽增益。

来自电阻的电流噪声 （in_R)

这可以通过电阻器e的热电压噪声计算得出n_R除以电阻的阻抗，R. 1 MΩ 贡献大约 128 fA/√Hz，10 GΩ 贡献 1.28 fA/√Hz。

电阻的热电压噪声在整个频率范围内保持理想平坦，直到它看到电容并以–20 dB/dec的速度滚降。图5显示了10 mHz至1 Hz范围内的这种行为。

来自传感器的电流噪声（in_source)

传感器本身会产生电流噪声，我们必须忍受它。它可以在频率上具有任何形状。例如：光电二极管出现散粒噪声，I锡，从光电流，IP和暗电流，ID，以及约翰逊噪音，我JN，来自分流电阻。1

放大器电压噪声本身产生的电流噪声

来自放大器电压噪声的电流噪声称为enC噪声，在Horowitz和Hill的The Art of Electronics中得到了很好的解释。2类似于电阻电压噪声被电阻转换为电流噪声，放大器电压噪声en_dut由总输入电容（包括传感器电容、电路板杂散电容和放大器输入电容）转换为电流噪声

在第一个订单上，我们得到

这个等式告诉我们三件事。首先，电流噪声随着频率的增加而变大，这是另一个随频率变大的电流噪声分量。其次，放大器的输入电压噪声越大，电流噪声越大。第三，总输入电容越大，电流噪声越大。这导致品质因数enC，其中放大器的电压噪声和总输入电容也应考虑给定的应用。

TIA应用的电流噪声形状（忽略DUT电流噪声）如图12所示。平坦部分主要是电阻噪声

而电容感应电流噪声为

以 20 dB/dec 的速度增加。根据这两个方程，交叉点可以计算为

 

图 12.enC噪声随频率变化。

取决于 C在， enC噪声可以大于或小于DUT电流噪声。对于 TIA 应用等反相配置，C分米未引导;那是

例如，在 100 kHz 频率下，LTC6244C厘米= 2.1 pF，C分米= 3.5 pF，并且en= 8 nV/√Hz 将具有 enC 电流噪声

这远小于 80 fA/√Hz 的 DUT 电流噪声。

但是，当连接光电二极管时，额外的C源或 CPD被添加到公式中，可以重新计算电流噪声。从 C 端只需 16 pF 的额外电容PD等于 DUT 电流噪声。低速、大面积光电二极管的量级为100 pF至1 nF，而高速、小面积光电二极管的尺寸为1 pF至10 pF。

总结

CMOS和JFET输入放大器中电流噪声随频率增加的现象是IC设计工程师和经验丰富的电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以理解。本文的目的是将对当前噪声行为的理解与更高频域联系起来，并展示一种在所选运算放大器上重现测量的技术。

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